Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблем обеспечения комфортного и энергоэффективного освещения помещений 14
1.1. Состояние проблемы 14
1.2. Роль естественного освещения в обеспечении светового комфорта: биологическая неадекватность естественного и искусственного света 18
1.3. Влияние географо-климатических условий на оптимизацию систем освещения 24
1.4. Потенциал энергосбережения в системах искусственного освещения и способы его реализации 29
1.5. Вывод по Главе 1 38
ГЛАВА 2. Оптимизация параметров оконных проемов и полых трубчатых световодов с учетом тепловых потерь и необходимого количества ествественного освещения
2.1. Общая постановка задачи 39
2.2. Математическая модель теплового режима помещения 41
2.3. Влияние полых трубчатых световодов на тепловой режим помещений 51
2.4. Вывод по Главе 2 63
ГЛАВА 3. Концепция и энергоэффективность совмещенного освещения 64
3.1. История концепции 64
3.2. Метод оценки систем совмещенного освещения 67
3.3. Сопоставительный анализ современных систем естественного освещения. Оценка энергоэффективности 72
3.4. Определение оптимальных размеров верхнего естественного освещения в аспекте энергоэффективности 80
3.5. Эффективность применения систем автоматического регулирования искусственного освещения 84
3.6. Приборная реализация концепции совмещенного освещения 87
3.7. Влияние энергосберегающих мероприятий в освещении на среднесуточный график потребления ЭЭ 92
3.8. Вывод по Главе 3 96
Выводы по диссертаци 98
Список литературы 100
- Роль естественного освещения в обеспечении светового комфорта: биологическая неадекватность естественного и искусственного света
- Потенциал энергосбережения в системах искусственного освещения и способы его реализации
- Влияние полых трубчатых световодов на тепловой режим помещений
- Эффективность применения систем автоматического регулирования искусственного освещения
Роль естественного освещения в обеспечении светового комфорта: биологическая неадекватность естественного и искусственного света
Свет как неотъемлемый элемент жизненной среды человека влияет на здоровье людей любого возраста, любой этнической группы, при любых видах и условиях работы, занятий и отдыха [75].
Воздействие на человека определяется с одной стороны, количественными и качественными параметрами световой среды, с другой – закономерностями физиологической оптики, возрастной анатомии, физиологии зрения и фотобиологии. Излучения всей оптической области спектра – видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов – участвуют в биологических процессах организма и необходимы для человека, оказывая благоприятное воздействие на здоровье в широких пределах интенсивностей. Учет влияния света на здоровье человека является главной задачей при проектировании осветительных установок.
Развитию отрасли медицины, изучающей воздействие света на жизнедеятельность человека, посвящены работы Н.М. Гусева, Гончарова Н.П. [20], Скобаревой З.А. [68,69], Когана А.И. [40] и других отечественных ученых, с позициями которых перекликаются исследования врачей, физиологов и психологов в других странах мира.
В настоящее время все большее понимание находят гигиеническая, энергетическая и экологическая роли естественного света.
Наличие окон в помещении позволяет человеку получать информацию из внешней среды, избежать ощущения замкнутого пространства. Опросы рабочих показывают [4, 95], что для человека достаточно знания о состоянии погоды и о времени дня, для того чтобы не чувствовать себя оторванным от внешней среды и не потерять чувства времени и психологического комфорта, связанного с этими факторами.
Помимо формирования зрительного восприятия окружающего пространства естественный свет имеет важное биологическое значение для здоровья и самочувствия человека. Большое психофизиологическое влияние на человека оказывает динамика естественного света как в дневном и годовом цикле, так и в течение коротких промежутков времени. Смена прямого и диффузного солнечного освещения в зависимости от состояния облачности, смена спектрального состава естественного света, положительное воздействие непрерывного спектра естественного света оказывают благоприятное воздействие на физиологическое и психологическое состояние человека, снижают наличие мелатонина (гормон сна) при повышении освещенности и увеличивают уровень кортизола, способствующего активности и бодрости. Это же подтверждают исследования влияния динамики освещенности на производительность зрительной работы. Результаты этих исследований также подтвердили благоприятное влияние естественного света на производительность труда [1,34, 86, 96].
Опыт работы в помещениях без светопрозрачных оконных проемов показал, что зрительная изоляция человека от внешней окружающей среды снижает его производительность труда и негативно сказывается на психике. Специальными исследованиями установлено, что для обеспечения полноценной световой среды в помещениях с постоянным пребыванием людей должно устраиваться естественное освещение. Так как, несмотря на относительно высокие уровни освещенности, создаваемые современными осветительными установками с газоразрядными и светодиодными источниками света, излучающими свет со спектром близким к естественному, состояние людей, выполняющих напряженную зрительную или умственную работу при искусственном освещении хуже, чем при естественном, о чем свидетельствуют наблюдения как отечественных, так и зарубежных исследований. Отмечаются ухудшение самочувствия, снижение работоспособности, повышение утомляемости, нарастающая раздражительность, частые головные боли. Отмечены так же у беременных работающих при искусственном свете женщин проявление более тяжелого токсикоза [52]. При физиолого-гигиенических исследованиях, проведенных при одинаковом, достаточно высоком уровне освещенности (500лк) от естественного или искусственного «дневного» освещения люминесцентными лампами, отмечено достоверное преимущество естественного освещения по показателям мышечной и зрительной работоспособности, точности координации движений, состояния психомоторики, сердечно-сосудистой системы и электрического сопротивления кожи [69].
Часто встречающееся объяснение более благоприятного воздействия естественного света на человека только психологическим настроем при наличии визуальной связи через светопроемы с внешним миром является недостаточным. Об этом свидетельствуют исследования реакции людей на одинаковые уровни естественного и искусственного света, проведенные чешскими и российскими гигиенистами. Эксперименты проводились в помещении с постоянным дозированным поступлением света через светопроемы, перекрытые автоматически регулируемыми по степени пропускания непрозрачными или полупрозрачными экранами, полностью исключающими визуальный контакт испытуемых лиц с заоконным пространством [36, 62]. Результаты, полученные при поступлении на рабочие места естественного света, во всех экспериментах были неизменно лучшими, чем при искусственном освещении той же интенсивности.
Не только полная замена естественного света искусственным, но и частичное лишение естественных свойств световой среды негативно сказываются на состоянии человека, особенно при его значительной рабочей нагрузке. Материалы экспериментальной оценки утомления людей, выполнявших длительную напряженную зрительную работу в условиях совмещенного освещения, свидетельствуют о прямой зависимости уровня утомления от степени денатурации (изменение структуры, приводящее к потере их естественных свойств) света при неизменном уровне освещенности от комплексного светового потока. Чем меньшую долю светового потока составляет естественный свет, тем большее утомление вызывает работа, проявляясь большим снижением функции зрения, активности центральной и вегетативной нервной системы и уровней самооценки психологического состояния.
Усредненные данные по показателям динамики зрительных функций, функций центральной и вегетативной нервной системы и количественного выражения самооценки психологического состояния испытуемых при освещенности 500лк с разными соотношениями естественного и искусственного света представлены на Рисунке 2. При освещенностях в 300 и 100лк тенденция зависимости психофизиологического состояния работающих людей от степени денатурации световой среды проявлялась также, как и при 500лк
Потенциал энергосбережения в системах искусственного освещения и способы его реализации
Одно из последствий мирового энергетического кризиса 70-х годов является возникновение нового направления в строительстве, цель которого заключается в выявлении суммарного потенциала энергосбережения и экономии энергетических ресурсов в результате использования инженерных и архитектурных решений. Первое здание, отвечающее таким требованиям – "здание с эффективным использованием энергии", было построено в г. Манчестере (США) в 1974 году.
В последние годы наблюдается рост объема строительства зданий различного назначения энергоэффективного типа. Также получили развитие в международной практике правила, стандарты и другие нормативные документы по оценке и проектированию энергоэффективности таких объектов [82, 84].
Тем не менее ощущается нехватка научно-обоснованных методов проектирования зданий, которые отвечали бы концепциям «Smart House», т.е. были бы энергоэффективные, комфортные для работы и проживания, были бы «дружелюбны» к окружающей среде. При строительстве зданий, выборе материалов ограждающих конструкций и их размеров у инженеров возникают затруднения с принятием наилучшего архитектурно-строительного решения. Сложности возникают в результате того, что микроклимат помещения складывается из тепло-влажностного, воздушного, светового, шумового и инсоляционного режимов, установления которых сложны и зависят от ряда климатических факторов, ориентации, планировки наружных ограждений, инженерного оборудования.
Недостаточный учет процессов при проектировании и строительстве, влияющих на микроклимат помещения для характерных периодов времени и типичных режимов эксплуатации, приводит в течение длительных периодов времени к дискомфортным условиям работы или проживания, а также к большим материальный затратам для обеспечения комфорта. Чтобы обеспечить и регулировать комфортные условия, необходимо знать взаимосвязи между условиями наружной среды и внутренним микроклиматом помещений.
Согласно определению, энергоэффективное здание является результатом суммирования ряда энергосберегающих решений в одном объекте и отвечает целям минимизации расхода энергии на обеспечение комфортного микроклимата в помещениях при наилучшей совокупности инженерных и архитектурных решений.
С позиции современной науки, проектирование зданий с эффективным использованием энергии связано с поиском и выбором альтернативных решений; оно требует анализа сложной информации о процессах различной физической природы, что в конечном итоге относится к задачам "системного анализа" или задачам "исследования операций". Целью методов системного анализа является выработка оптимальных решений как на стадии проектирования систем, так и при управлении ими. В процессе эксплуатации оптимальными называются решения, которые предпочтительнее всех других по большинству признаков.
Для решения оптимизационной задачи необходимы: - математическая модель, то есть описание процесса на языке математики; - целевая функция, для которой нужно найти минимум или максимум функционала, описывающего основное требование к задаче; - система ограничений, представляющая собой систему равенств и неравенств, формализующих требования качественного характера; - уравнения связи, описывающие функциональные зависимости между переменными. Математическая модель микроклимата помещений должна обеспечивать возможность перехода от сравнения субъективно отобранных двух-трех вариантов к автоматическому анализу всех возможных в данном случае решений и объективному отбору из них наилучшего, оптимального.
Построение модели микроклимата начинается с выявления всех основных компонентов, влияющих на него: тепловой, световой и воздушный режимы, которые зависят от условий застройки (в том числе ориентации здания), объемно планировочной структуры здания, наружных ограждений (степень и характеристика остекления, сопротивление теплопередаче, теплоустойчивости, солнцезащиты), инженерного оборудования, режимов эксплуатации; требования к инсоляции, уровню шума, запахов. В зависимости от решаемой задачи эти компоненты могут представляться в виде ограничений или в виде помех, так как помехи можно изучить статистически и моделировать суммарно с некоторой вероятностью. Математически процессы распространения тепла и движения воздуха в помещении представляют собой систему дифференциальных уравнений непрерывности движения, теплопроводности и теплообмена на границе наружного и внутреннего воздуха.
Влияние полых трубчатых световодов на тепловой режим помещений
Интеграция искусственного и естественного света в зданиях может рассматриваться как инженерный прием оптимизации световой среды, с помощью которого учитываются все особенности, включая достоинства и недостатки, обоих видов освещения. При этом, одновременное использование двух систем, совместная работа которых не была запроектирована на первоначальном этапе, как правило, не дает положительных результатов ожидаемого масштаба.
Первую концепцию совмещенного освещения PSALI (Permanent Supplementary Artificial Lighting – постоянное дополнительное искусственное освещение) начали разрабатывать в 1959 году [94]. Однако предпосылки, на которых она основывалась, в настоящее время не существуют. В то время согласно Британским Нормам уровни искусственной освещенности для школьных классов регламентировались на уровне около 160лк, а для конторских помещений – около 200лк. Таким образом, в глубоких помещениях с недостаточным количеством искусственного света возникала иллюзия чрезмерно мрачного интерьера и ярких окон. Для выравнивания световой среды и обеспечении необходимых уровней освещенности в глубине помещений в дневное время суток, рекомендовались более высокие значения искусственного света. Из этой концепции следовало, что чем выше наружная освещённость, тем выше должны быть уровни искусственной освещенности в помещении. Такой подход в современном мире противоречит одному из главных принципов естественного освещения – экономия энергетических ресурсов.
Позднее, с увеличением нормативных уровней освещенности [94] была предложена концепция, в которой естественный свет обеспечивал только субъективные требования обеспечивая контакт с внешней средой, тогда как требуемые уровни освещенности обеспечивались с помощью электрического света. Однако энергетический кризис 70-х годов перечеркнул и эту концепцию. В СССР этой проблематикой занимались проф. Н.М. Гусев [22-25], Н.Н. Киреев, Н.П. Гончаров, [20] А.В. Спиридонов. Ее решение нашло отражение в отечественных исследованиях по программе изучения воздействия оптического излучения на организм человека «Человек и свет» (МГУ им. Н.П. Огарева), работах ВНИСИ «Бытовые многофункциональные световые комплексы», ВНИИТЭ [34] «Свет как элемент жизненной среды человека» (С.Г. Юров. Н.С. Иванова), в которых было предложено использовать многофункциональную природу света не только для формирования условий видения предметной среды, но и выполнения психологических, биологических и эстетических функций. Комплексное проектирование световой среды включало в себя управляемые установки осветительного, облучательного и декоративного действия и их комбинацию. Однако технические возможности светотехники тогда были ограничены, и теоретические исследования не всегда могли быть подкреплены практикой.
В основе современного подхода к проектированию осветительных систем сохранились те же принципы и требования к качеству световой среде, но с акцентом на энергосбережение и повышение энергоэффективности применяемых технологий.
Только минимальное использование электрического света и преобладание естественного, используя светопрозрачные проемы, не может обеспечить минимум энергетических затрат, так как ликвидация дополнительных теплопоступлений и восполнения теплопотерь через них неизбежно приведет к возрастанию энергозатрат. Добиться рационального совмещенного освещения позволяет оптимизация проектирования.
Требования к совмещенному освещению могут быть подразделены на следующие группы:
1. Эффективность использования энергии. При анализе количества энергии, расходуемой на совмещенное освещение, необходим комплексный учет всех энергозатрат: Следует учитывать, что светопрозрачные ограждающие конструкции в зимний период являются источником дополнительных теплопотерь, а летом избыточных теплопоступлений; электрические потери в сети, в пускорегулирующей аппаратуре светильника, пиковую потребность в электроэнергии в зависимости от времени дня и периода года
2. Самочувствие людей и производительность труда. Световая среда характеризуется качественными и количественными параметрами. Качественным характеристикам освещения являются динамика во времени интегрированного света, его спектральный состав, направленность световых потоков, ограничение ослепленности. К количественным показателям относится освещенность, обеспечиваемая на рабочей поверхности или в пространстве в соответствии с нормативными документами в зависимости от характера объектов различения
3. Автоматическое регулирование. Динамика освещения. Система автоматического управления освещением позволяет управлять световым потоком источников света в зависимости от уровня наружной освещенности, графика рабочего времени с учетом перерывов производственных процессов и характера технологических процессов.
4. Экономическая эффективность систем совмещенного освещения. При технико-экономической оценке эффективности систем совмещенного освещения и срока их окупаемости в составе капитальных затрат устройства систем необходимо учитывать затраты на устройство солнцезащиты, светопроемов, систем искусственного освещения, включая их автоматическое регулирование, затраты на чистку, ремонт систем, амортизационные отчисления.
Концептуально система совмещенного освещения, регулируемого автоматически, открывает перспективы достижения наивысшей энергетической эффективности внутреннего освещения и, с позиций оптимизации энергетического баланса помещения, является рациональной системой.
Эффективность применения систем автоматического регулирования искусственного освещения
Доля затрат на освещение общественных зданий составляет 30%-45%, на долю промышленных предприятий приходится около 30% от 14% [87] всей вырабатываемой в стране ЭЭ.
Экономическую и географическую особенность Томского региона в структуре энергопотребления отражает суточный график нагрузки (изменения нагрузки потребителя во времени).
Определим влияние на суточный график нагрузки г. Томска потенциала энергосбережения в ОУ административных и производственных помещений, который может быть реализован в результате модернизации установки электрического освещения и увеличении доли естественного света.
Наиболее распространённой системой освещения административных и промышленных помещений является система совмещенного освещения при сочетании общего искусственного света и естественного солнечного светового потока от боковых светопрозрачных конструкций.
Для расчета снижения потребления ЭЭ за счет повышения энергоэффективности системы освещения помещениях офисного типа принималось, что средняя этажность строений равна 5, совмещенная система естественного освещения верхних уровней включает ПТС и боковые оконные проемы, рассчитанные по методике, описанной в Главе 2, суммарный КЕО=1,8%; естественное освещение этажей с 1 по 4 осуществляется через боковые световые проемы с КЕО=0,6%. Традиционное общее электрическое освещение, обеспечивающее среднюю освещенность 300лк, основано на растровых светильниках ЛЛ 4х18Вт с ЭмПРА. Сравнение светильников офисного типа на разных источниках показывает, что применение светодиодов позволяет снизить удельную мощность ОУ (Рисунок 34). Рисунок 34 – Удельные мощности ОУ с разными ИС и ОП Тем не менее, несмотря на более низкое потребление ЭЭ светодиодными светильниками, наиболее предпочтительным вариантом для ОУ административных помещений являются ЛЛ 4х14Вт (Т5) с применением ЭПРА ввиду более качественного состава светового потока по спектральному составу. На промышленных объектах используется широкая линейка осветительных приборов и источников света ввиду разноплановости помещений и типов работ в них, что практически исключает универсальные решения. Поэтому возможности снижения удельной мощности ОУ складываются из следующих мероприятий с ожидаемым эффектом энергосбережения: - расширение производства эффективных источников света и области их применения – минимум 14%; - увеличение световой отдачи источников света – 6%; - повышение стабильности характеристик источников света – 6%; - повышение КПД осветительных приборов – 6%; - улучшение эксплуатационных свойств осветительных приборов – 6%; - снижение энергопотребления ОП, благодаря использованию ЭПРА – 1,5-2%. К основным мероприятиям по повышение эффективности ОУ также необходимо отнести применении системы регулирования общего освещения в зависимости от уровня естественной освещенности.
Влияние комплекса энергосберегающих мероприятий, рассмотренных в данной диссертации, исследовано для двух характерных месяцев – декабря и июня, Рисунок 35 и 36. Расчёт конкретизирован определением энергосберегающего эффекта в осветительной сети одной из подстанций (ПС) г. Томска. Значения потребленной ЭЭ на графиках соответствуют результатам контрольных замеров на МЭС Сибири, ПМЭС Томское, ПС Томская (класс напряжения ПС 500/220/10 кВ) от 19.12.2012г. и 19.06.2013г. Рисунок 30 – 1) Среднесуточный график энергопотребления на ПС Томская (декабрь); 2) Среднесуточный график энергопотребления на ПС Томская (декабрь) с учетом снижения затрат на электрическое освещение Рисунок 31 – 1) Среднесуточный график энергопотребления на ПС Томская (июнь); 2) Среднесуточный график энергопотребления на ПС Томская (июнь) с учетом снижения затрат на электрическое освещение
Потенциал энергосбережения при организации освещения административных и производственных помещениях г. Томска составляет: в результате замены источников света в ОУ составляет 34% в административных зданиях, в производственных помещениях – 40%, за счет увеличение доли естественного света и применение АСУ достигает 52% (в зависимости от времени суток) для административных и 60% для производственных.
В конечном итоге, расчетное минимальное снижение потребляемой ЭЭ в декабре месяце составляет 2,1%, что приходится на темное время суток и максимальное 2,76% (9,56 МВт) на 12 часов дня. В июне минимальное значение потенциала энергосбережение составляет 2,1%, максимальное 3,28% (7,45 МВт) в 10 часов дня. Выводы к Главе 3
1. Рассмотрены концепции интеграции естественного и искусственного освещения в историческом контексте. Представлены требования к совмещённому освещению, которые основываются на эффективности использования энергии, самочувствии людей и производительности труда, экономической эффективности, а также на динамике освещения за счет автоматических систем управления электрическим светом.
2. Для практической оценки и сравнения различных систем естественного освещения рассмотрена методика, основанная на суммарном анализе по приведенным затратам на организацию искусственного и естественного освещения.
На основе данного сопоставительного анализа был произведен расчет светового потока, оценка теплопоступлений от солнечной радиации, оценка тепловых потерь за отопительный период и оценка капитальных затрат на совмещенное освещение.
3. Произведен расчет оптимальных размеров верхнего естественного освещения, представленного трубчатыми световодами, с позиции соблюдения энергетического баланса помещения в годовом цикле его эксплуатации. По результатам вычислений был определен коэффициент пропорциональности между нормируемой освещенностью и оптимальной величиной КЕО, который позволяет на этапе проектирования определить оптимальные размеры верхнего освещения с целью получения необходимого количества естественного света и минимальных энергозатрат на его обеспечение.
4. Разработан подход по расчету эффективности применения систем автоматического регулирования искусственного освещения. Выявлено соотношение между уровнем регулируемой искусственной освещенности и КЕО, которое для каждой местности остается постоянным и позволяет определить экономическую целесообразность применения АСУ. 5. Представлена приборная реализация концепции совмещенного освещения на основе световодной системы, светодиодной техники и системы автоматического управления. Световая эффективность комплекса проверена с помощью специализированного программного продукта.
6. Рассчитано влияние энергосберегающих технологий в освещении на среднесуточный график потребления ЭЭ, представлены потенциальные значения энергосбережения.